Summary
Amblyopie ist eine Entwicklungsstörung des visuellen Kortex, die oft durch starke Unterdrückung des einen Auges begleitet wird. Wir präsentieren eine neue Technik zur Messung und Behandlung interocular Unterdrückung bei Patienten mit Amblyopie, die mithilfe virtueller Realität Schutzbrille oder einen tragbaren iPod Touch-Gerät werden können.
Abstract
Amblyopie, eine Entwicklungsstörung des visuellen Kortex, ist eine der führenden Ursachen für Sehstörungen im erwerbsfähigen Alter. Aktuelle Schätzungen beziffern die Amblyopieprävalenz bei ca. 1-3% 1-3, die Mehrheit der Fälle ist Monokular 2. Amblyopie am häufigsten durch okulare Versatz (Schielen) verursacht, Unschärfe, die durch ungleiche Fehlsichtigkeit (Anisometropie) induziert, und in einigen Fällen durch die Form Entbehrung.
Obwohl Amblyopie wird anfänglich durch abnorme visuelle Eingabe in der Kindheit, einmal etabliert verursacht, die visuelle Defizit bleibt oft wenn normale visuelle Eingabe wiederhergestellt wurde unter Verwendung einer Operation und / oder refraktiven Korrektur. Dies liegt daran, Amblyopie ist das Ergebnis der anormalen Sehrinde Entwicklung statt eines Problems mit dem Auge selbst amblyopen 4,5. Amblyopie wird von beiden monokularen und binokularen Defizite 6,7, die beeinträchtigt die Sehschärfe und schlechte oder fehlende s sind gekennzeichnettereopsis sind. Die visuellen Dysfunktion bei Amblyopie wird oft mit einer starken Unterdrückung der Eingänge aus dem amblyopic Auge unter binokularen Bedingungen 8 verbunden. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass die Unterdrückung kann eine zentrale Rolle sowohl in der monokularen und binokularen Defizite mit Amblyopie 9,10 assoziiert spielen.
Aktuelle klinische Tests zur Unterdrückung neigen dazu, die Anwesenheit oder Abwesenheit von Unterdrückung anstatt einen quantitativen Messung der Grad der Unterdrückung verifizieren. Hier beschreiben wir eine Methode zur Messung amblyopic Suppression mit einem kompakten, tragbaren Gerät 11,12. Die Vorrichtung besteht aus einem Laptop-Computer mit einem Paar von Virtual Reality Brillen. Die Neuheit der Technik liegt in der Art, wie wir visuelle Reize, um die Unterdrückung zu messen. Stimuli auf die amblyopen Auges bei hohem Kontrast gezeigt, während der Kontrast der dargestellte Stimuli zu dem nicht amblyopen Auge variiert werden. Patienten durchführen simple Signal / Rausch-Aufgabe, die für eine präzise Messung der Stärke von exzitatorischen binokularen Wechselwirkungen ermöglicht. Der Kontrast Offset bei der weder Auge hat einen Leistungsvorteil ist ein Maß für die "balance Punkt" und ist ein direktes Maß der Unterdrückung. Diese Technik wurde sowohl in psychophysisch Steuerung 13,14 und Patient 6,9,11 Populationen validiert.
Zusätzlich zur Messung Suppression diese Technik auch die Grundlage einer neuen Form der Behandlung zur Unterdrückung mit der Zeit ab und verbessern binokularen und oft monokulare Funktion bei Erwachsenen mit Amblyopie 12,15,16. Dieser neue Behandlungsansatz kann entweder auf dem Goggle-System über oder auf einem speziell modifizierten iPod touch-Gerät 15 beschrieben eingesetzt werden.
Protocol
Ein. Die Messung der Unterdrückung
- Vor Beginn der Messung der Unterdrückung, geben die Patienten detaillierte Anweisungen (siehe 1,8) und zeigen die visuelle Reize in Bezug auf Schritte 1,2-1,8 unten auf dem Laptop-Bildschirm. Alle Patienten sollten volle refraktive Korrektur (Brille / Kontaktlinsen) während des gesamten Verfahrens zu tragen, geeignet für den Arbeitsabstand eingestellt.
- Die Brille (eMagin 8700) sollte dem Patienten angebracht werden (über die Oberseite der Brille / Kontaktlinsen) und richtig eingestellt. Sicherzustellen, dass die Bildschirme parallel zur Augenoberfläche sitzen. Die Siebe können eingestellt werden, um jedes Patienten Pupillenabstand ausmachen werden. Anweisungen zum Anschließen und Kalibrieren die Brille kann hier gefunden werden: http://www.3dvisor.com/wpcontent/uploads/2010/08/UserGuide10.7.pdf .
- Die Stimuli bestehen aus zwei Populationen von bewegende Punkte, eine Population moving in einer gemeinsamen Richtung (die "Signal" dots) und das andere sich bewegende in zufälligen Richtungen (die "Rauschen" dots). Der Beobachter hat die Aufgabe, das Signal Richtung berichten. Aufgabe Schwierigkeit wird durch den relativen Anteil des Signal-Rausch-Punkte in dem Stimulus manipuliert.
- Die benutzerdefinierten Matlab-Programme, die diese Messungen kontrollieren verwenden eine 3-unten 1-up Treppe Verfahren. Es gibt zwei separate Messung Stufen. Der erste ist ein binokulares Schwellenwert, das heißt, der Schwellenwert Anzahl von Signalleitungen erforderlich, wenn beide Punkte Signal und Rauschen Punkten in beide Augen bei hohem Kontrast dargestellt. Das zweite Programm misst den Kontrast Unwucht erforderlich, um dieselbe zu erreichen, wenn die Schwelle dot Populationen zu trennen Augen dargestellt werden.
- Unterschiedliche Bilder werden auf der Brille Bildschirmen durch den Einsatz eines Matrox DualHead2Go, (Montreal, Kanada) Gerät angezeigt.
- Um die Unterdrückung Beurteilung zu beginnen, erste Maßnahme ein Fernglas Schwelle. Hier das gleiche visuelle Reize are gezeigt beider Augen und der minimalen Anzahl von Punkten Signal erforderlich, genau zu beurteilen die Richtung des Punktes wird gemessen.
- Um die Augen richten, werden die Bildschirme zeigen eine schwarze Hälfte Kreuz in jedes Auge gegen einen weißen Bildschirm. Mit der Tastatur wird der Patient gebeten, die Hälfte des Kreuzes durch die amblyopic Auge gesehen zu bewegen, bis er sich mit der Hälfte vom anderen Auge gesehen. Wichtig ist, dass der Patient darauf hingewiesen wird, dass das Bild durch das Auge gesehen amblyopen möglicherweise ein unscharfes, aber es ist die Ausrichtung der wichtig ist. Wenn das bewegte Bild aus dem Blickfeld Der Patient wird gebeten häufiger blinken da dies die Sichtbarkeit des Bildes zu verbessern kann. Exact okuläre Ausrichtung (Pixelwerte) kann nach jeder Messung, um die Wiederholbarkeit dieser Aufgabe festzustellen, extrahiert werden.
- Sobald der Patient meldet, dass die halben Kreuze ausgerichtet sind, kann die Messung zu beginnen. Jede Messung dauert etwa drei Minuten. Fünf kurze Treppe Messungen completed für jedes der zwei Teile der Messung. Die folgenden Hinweise sollen gegeben, bevor die Messung beginnt sein:
- Anleitung für den Betrachter:
"Bei diesem Test werden Sie aufgefordert, ein Urteil über die Richtung der bewegten Bilder zu machen."
"Sie werden sehen, eine Gruppe von weiß / graue Punkte gegen einen grauen Hintergrund. Nach jeder Präsentation werde ich Sie bitten, zu entscheiden, ob die Punkte meist Umzug nach links oder rechts mit der linken und rechten Pfeiltasten auf der Tastatur vor Ihnen . "
"Es gibt zwei Gruppen von Punkten, einige reibungslos bewegen nach links oder rechts (die Signal dots), erscheinen die andere Gruppe die in zufällige Richtungen bewegen."
"Bitte versuchen Sie es zu entscheiden, in welche Richtung das Signal Punkte werden in (rechts oder links) bewegen unter der Verwirrung der Zufallspunkten." "Wie Sie Entscheidungen die Zahl der zufällige Punkte zu erhöhen, wird erschwert, um die Signal-Punkte sehen machen weiter, wenn es so schwierig wird kann man nicht sagen, die Richtung, bitte einfach nehmenIhre beste Schätzung ". - Die erste Messung kann beginnen. Eine gute "last minute"-Befehl ist, um den Teilnehmer regelmäßig blinken ("eine gute Zeit zu blinken, wenn Sie die Taste drücken") erinnern.
- Fünf Messungen mit dem Fernglas Treppe Paradigma sind nun gemacht. Ocular Ausrichtung wird wiederholt vor jeder Messung wird gestartet.
- Das Ergebnis der Messung erhaltenen einzelnen ist die Schwellenanzahl von Punkten Signal (von 100 Punkten insgesamt) erforderlich ist, um vollständig die Richtung zu beurteilen, wenn beide Augen dieselben Stimuli sehen. Das Programm meldet auch das Spektrum der Antworten als Standardfehler der Messung.
- Für die nächste Messung der Kontrast Treppe werden die fünf Ergebnisse aus den binokularen Treppen gemittelt und der resultierende Schwellenwert definiert die Anzahl der Signal-Punkte, der dem amblyopen Auge. Die verbleibenden Geräusche Punkte werden mit dem nicht-amblyopen Auges bei variierenden Kontraste zur Unterdrückung beurteilt präsentiert.
- Für diese Messung die amblyopen Augessieht immer hohen Kontrast Punkten während der Kontrast der Punkte dargestellt Rauschen zu dem nicht amblyopen Auges variiert wird unter Verwendung eines Verfahrens Treppe. Zu Beginn der Treppe eine feste Anzahl von Punkten Signals (erhalten von Schritt 1.11) werden dem amblyopen Auges bei 100% Kontrast und die verbleibende Anzahl von Rauschen Punkte dargestellt sind mit dem anderen Auge bei 0% Kontrast dargestellt (dh keine Geräusche dots sichtbar sind, was zu minimalen Unterdrückung). Korrekte Identifizierung der Signalpunktmatrix Richtung führt zu einer Erhöhung der Kontrast der Punkte dargestellt Rauschen zum anderen Auge nach dem 3-down 1-up Treppe Algorithmus. Während der Messung wird der Kontrast der Lärm Punkte gezeigt, das andere Auge durch das Treppenhaus variiert, bis Aufgabenerfüllung konvergiert auf 79% richtig. Dies deutet darauf hin, dass die Signal und Rauschen dots wobei zwischen den beiden Augen kombiniert, um den gleichen Grad an Aufgabenleistung die unter Binokularbeobachtung Bedingungen (Schritt 1.11) beobachtet wurde erzeugen. Das Verhältnis des Kontrastsdas Signal dots präsentiert der amblyopic Auge (immer 100%) bezogen auf den Kontrast der Lärm Punkte gezeigt, das andere Auge an der Schwelle ist ein Maß für das Gleichgewicht Punkt. Erhöhung des Kontrasts der Lärm Punkte dargestellt zum anderen Auge über diesem Punkt würde der Unterdrückung der Signal-Punkte dargestellt an den amblyopen Auges und Wertminderungen im Task-Leistung führen.
- Fünf Messungen der Kontrast Ungleichgewicht hergestellt und ein durchschnittliches Ergebnis berechnet wird. Das Ergebnis teilt der Prüfer über die Höhe der Gegensatz Ungleichgewicht, das notwendig, um die Unterdrückung zu überwinden und damit die amblyopic Auge und anderen Auge die Punkte gleichzeitig zu sehen ist.
2. Training mit dieser Methode
- Der Kontrast Ungleichgewicht in Schritt 1,14 oben gefunden kann als Ausgangspunkt für eine Ausbildung Regime verwendet werden. Die Ausbildung beinhaltet die Integration den Einsatz von dichoptic Bilder mit dem Kontrast Ungleichgewicht in ein Videospiel-Format ("Tetris"). Das Videospiel kann umgesetzt werdenentweder die virtuelle Realität Schutzbrille oder auf einem iPod Touch-Gerät.
- Das Videospiel Tetris beinhaltet eine Reihe von fallenden Blöcken, die zusammen eine vollständige Linien bilden ausgestattet sind. Die amblyopic Auge sieht vollem Kontrast Blöcke, und der Kerl Auge sieht reduzierten kontrastreiche Bilder. Präsentierten Informationen zu jedem Auge müssen gleichzeitig für eine erfolgreiche Spiel wahrgenommen werden.
- Im Laufe der Zeit die Ausbildung Regime weiterhin der Kontrast Ungleichgewicht wird durch Erhöhen des Kontrasts der anderen Auge, so dass es schwieriger für das visuelle System, um die Unterdrückung von ähnlicher dichoptic Bilder verursacht zu überwinden reduziert.
- Trainingsdauer sollte 1-2 Stunden am Tag sein und sollte bis keine weitere Verbesserung des Kontrastes Ungleichgewicht (Kontraststeigerung, der dem anderen Auge) beobachtet wird fortgesetzt. Während der Ausbildung Regime, sollten Kontrollen der monokularen und binokularen Funktion regelmäßig gemacht werden (bestimmt durch Alter des Patienten und der zugrunde liegenden Zustand). Tests der monokularen Sehschärfe, Stereopsisund Standard-Tests der Unterdrückung sind besonders wichtig für Berichterstattung über die Fortschritte.
Representative Results
Der Grad der Unterdrückung in dem beschriebenen Verfahren gefunden ist abhängig von der zugrunde liegenden Ursache der Amblyopie, vorherige Behandlung, Verwendung der refraktiven Korrektur und Sehschärfe. Da jeder Patient hat eine sehr einzigartige Geschichte, ist es schwierig, "normalen" Werten der Unterdrückung zu definieren oder Vergleiche zwischen den Menschen. Generell erwarten wir jene mit schlechter Sehschärfe eine tiefere Ebene der Unterdrückung 9 haben. Während der Ausbildung, wie wir den Kontrast Ungleichgewicht zwischen den Augen zu reduzieren, wobei die Tiefe typischerweise Unterdrückung reduziert und dies verbessert eine Reihe von binokularen und monokularen Funktionen. Diese Änderung in der Unterdrückung hat in mehreren Patientengruppen nachgewiesen (siehe Abbildungen 3 und 4 in Bezug 12, Tabelle 3 und Abbildung 9 in Bezug 15 und Abbildung 2 in Referenz 16). Es ist wichtig zu beachten, dass eine detaillierte Messungen der Unterdrückung th mitwird Technik haben das Potenzial, unser Verständnis der Amblyopie-Syndrom zu verbessern.
Abbildung 1. Die Geräte zur Messung Unterdrückung, die 1 enthält verwendet) laptop 2) Schutzbrille 3) Signal-Splitter.
Abbildung 2. Die Brille richtig auf einer Studie Teilnehmer ausgestattet.
Abbildung 3. Eine Übersicht über die random dot kinetogram Reize (Step 1.2/1.3). Das obere Feld zeigt die Ausrichtung Phase, wo eine halbe Kreuz für jedes Auge angezeigt wird monokular als Stichwort für bino dere Ausrichtung. Das mittlere Feld zeigt das Signal-Rausch-Signals in dem Paradigma Punkte zum amblyopen Auge nur Rauschen und die Punkte werden dem anderen Auge dargestellt, unter Bedingungen, die binokulare Signal und Rauschen zu einem Bewegungskohärenz Schwelle, die dann verwendet wird, in geben vorgestellt werden der Kontrast unterschiedlichen Stufe der Messung. Das untere Feld zeigt die Kontrastschwelle, verwendet dieses Verfahren die Bewegung Kohärenz Schwellenwert auf einen festen Pegel des Signal-Rausch-und zeigt Variieren Kontraststufen zwischen den beiden Augen. Der Punkt, an dem die beiden Augen sehen eine ausgewogene Fernglas Eingang ist der Kontrast Schwelle oder "balance point".
Abbildung 4. (Schritt 1.7) Justier-Darstellungen durch die Brille, horizontalen und vertikalen Pfeiltasten gesehen werden verwendet um Ziele auszurichten, bis ein gesamter Querschnitt gesehen wird.
Abbildung 5. Eine Übersicht über die Ausbildung Protokoll.
Abbildung 6. Beispiel der klinischen und psychophysischen Daten von einem erwachsenen Teilnehmer mit Schielamblyopie, die die Ausbildung Verfahren abgeschlossen (in Schritten von 2,1 bis 2,4). 6A zeigt die Veränderung der Sehschärfe (gemessen mit einer logarithmischen Stil Diagramm in logMAR Einheiten über 4 Wochen Ausbildung sowohl für die amblyopic Auge (AME) und anderen Auge (FFE)). Kleinere LogMAR Werte zeigen bessere Sehschärfe. Die Gesamtzahl der Stunden des Spiels wird in Klammern auf der x-Achse dargestellt. 6B zeigt die Veränderung im Gegensatz imbaLanze über vier Wochen Training. Die y-Achse zeigt den Kontrast, die im anderen Auge, also größere Werte zeigen eine geringere Unterdrückung toleriert werden konnte. Zu Beginn des Trainings nur 30% Kontrast könnte in das andere Auge toleriert werden, bevor die amblyopen Auges unterdrückt wurde. Doch wie Ausbildung fortgeschritten ist, könnte mehr Kontrast vertragen, die eine Reduzierung der Unterdrückung werden. 6C zeigt die Verbesserung stereoacuity über die Einarbeitungszeit (gemessen mit dem Randot Stereo-Test). Null auf der y-Achse zeigt keine Stereo-Vision und steigende Werte verbessern Stereo Empfindlichkeit (Einheiten der Kehrwert der Stereo-Schwelle in Bogensekunden).
Abbildung 7. Standard klinischen Tests verwendet werden, um Binokularsehen Status vor und nach dem Training einschließlich der Worth 4 dot Test (oben links) zu beurteilen, Bagollini leNSEs (oben rechts), Randot Stereopsis Test (unten links) und TNO Stereopsis Test (unten rechts).
Discussion
Die Unterdrückung Mess-und Behandlungstechniken in diesem Papier beschrieben kritisch Manipulation der Kontrast der Bilder von jedem Auge gesehen abhängen. Insbesondere die relative interocular Gegensatz Ungleichgewicht bei dem Fernglas Kombination auftritt, dh die "Balance Punkt kontrast", stellt ein Maß der Unterdrückung 6,11,17. Darüber hinaus kann durch wiederholtes Aussetzen Patienten mit Amblyopie und Unterdrückung zu "balanced" visuelle Reize, ist es möglich, die Unterdrückung zu reduzieren und möglicherweise zu verbessern sowohl monokularen und binokularen Sehfunktion 12,15,16. Diese Verfahren stellen einen Fortschritt in der Unterdrückung Messung und einen neuen Ansatz zur Amblyopiebehandlung sind. Derzeit verfügbare klinische Tests zur Beurteilung Unterdrückung wie Worth 4 Scheinwerfer-Test und den quergestreiften Bagolini Linsen beurteilen, ob Unterdrückung vorhanden oder nicht vorhanden ist, und anderen Tests, wie den Sbisa bar auch den Grad der Unterdrückung der Verwendung von neutralenDichtefilter. Unsere Technik bietet zusätzliche klinische Informationen, indem es für die Festigkeit der Unterdrückung genau quantifiziert werden. Amblyopie, die oft mit Unterdrückung zugeordnet ist, wird im Allgemeinen durch Okkludieren des nicht amblyopen Auge oder erniedrigende das Bild in dem Nicht-amblyopen Auges, um die Verwendung des Auges 18 amblyopen fördern behandelt. Während diese Technik verbessert wirksam amblyopen Augenfunktion 18, ist es nicht unmittelbar auf die binokulare Defizite Amblyopie verbunden. Unsere Technik zielt direkt auf binokularen Funktion und wir haben festgestellt, dass dieser Ansatz sowohl monokularen und binokularen Funktion bei erwachsenen Patienten mit Amblyopie 12,15,16 verbessern. Die Mess-und Behandlungsansätze beschrieben sind geeignet für den Einsatz bei Erwachsenen und Kindern, obwohl die Spiele müssen für den Einsatz bei jüngeren pädiatrischen Populationen angepasst werden. Wir entwickeln derzeit weitere Spiele für diesen Zweck.
UnsereTechniken haben ihre Grenzen. Einige Patienten mit Strabismus und starke Unterdrückung finden es schwierig, die gezeigten Bilder für jedes Auge zu Beginn der Unterdrückung hatte Messprotokoll auszurichten. Während es möglich ist für solche Patienten die Bilder 17 auszurichten, kann dies sehr zeitaufwendig sein. Im Hinblick auf die Behandlung ist es wichtig, neben einer entsprechend qualifizierten Arzt in der Ausbildung Regime zu arbeiten und das Risiko von Diplopie (Doppeltsehen) prüfen, ob die Unterdrückung reduziert. Unsere früheren Arbeiten auf diesem Behandlungsansatz hat bei Patienten mit Anisometropie oder kleine Winkel Strabismus konzentriert und keine Patienten haben Diplopie entwickelt, aber die Gefahr von Diplopie sorgfältig von einem entsprechend qualifizierten Arzt bei einem Patienten durch den Patienten erwogen werden, bevor die Behandlung verabreicht wird .
Beim Einrichten der Techniken zum ersten Mal ist es wichtig, sicherzustellen, dass alle Hardware-Verbindungen sicher sind und dass alle relevanten Treiber sind ininstalliert und aktualisiert auf dem Host-Computer. Es ist auch wichtig, um einen Computer mit einer Grafikkarte, die mit dem Matrox-Grafikkarte beschrieben in dem Protokoll ist und dass unterstützt eine Bildschirmauflösung von 1600x600 (sobald die Matrox-Treiber installiert sind), um sicherzustellen, dass jeder goggle Bildschirm eine deutliche hat ausgestattet verwenden Bild. Wir haben festgestellt, dass die meisten Probleme beim Einrichten des Systems entstehen durch falsche Einstellungen der Bildschirmauflösung und der Abwesenheit von bis zu Treiber für die notwendige Hardware heute begegnet. Es ist auch wichtig, um sicherzustellen, dass beide goggle Bildschirmen gleicher Luminanz haben vor der Messung Unterdrückung auf präzise und stabile Messungen zu gewährleisten.
Die beschriebenen Techniken bilden eine Grundlage für die weitere Entwicklung der Unterdrückung Mess-und Behandlungsansätze. Insbesondere könnte die Entwicklung ansprechender Videospiele auf dem Grundprinzip der unterschiedlichen Kontrast zwischen den Augen basiert dieser Ansatz effizienter und appealing zu jüngeren Patienten. Abgesehen von ihrem klinischen Einsatz, können diese Techniken auch in einer Forschungseinrichtung, die neuronalen Mechanismen, die Unterdrückung und die Rolle, die hemmenden Wechselwirkungen zwischen den Augen in der normalen visuellen System 13 spielen zu erforschen.
Disclosures
Die Techniken in diesem Manuskript beschrieben bilden die Grundlage für zwei Patente von BT und RFH, von denen einer auch von JC und LT gehalten wird.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment for the measurement of suppression | |||
| Computer equipped with a graphics card compatible with a Matrox Duel Head to Go device (see below) and Psychtoolbox19,20 | Any Suitable Manufacturer | ||
| Matlab software of a version compatible with Psychtoolbox | Mathworks | ||
| Psychtoolbox and custom software for stimulus generation | Psychtoolbox | Psychtoolbox is available for download from psychtoolbox.org and the additional custom software is available from the corresponding author upon request. | |
| Matrox Duel Head to Go | Matrox | ||
| Z800 3D dual pro-HMD video goggles | eMagin Corporation | ||
| Equipment for the treatment of suppression | |||
| iPod Touch | Apple | ||
| Screen overlay to allow for dichopic viewing of the iPod | Spatial View | ||
| Custom software for the tetris treatment game | The software was built using Spatial View's proprietary SDK, full details have been published previously15 | ||
References
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